JP6547664B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のスイッチング素子の動作により電力を変換する電力変換回路を備えた電力変換装置に関する。
従来、昇圧コンバータやインバータ等の電力変換回路を備えた電力変換装置において、複数のスイッチング素子の温度のうちの最高温度が所定温度以上となったとき、電力変換回路の出力制限を行う技術が知られている。以下、特にことわらない限り、「素子」とは、スイッチング素子を意味する。また、「複数の素子の中の温度が最高となっている素子の温度」を略して「最高素子温度」という。
例えば特許文献1に第3実施形態として開示されたモータ駆動装置では、インバータ回路を構成する六つの素子の一つに温度検出用ダイオード及び「温度モニタ回路」が設けられている。また、温度モニタ回路が設けられていない残り五つの素子に対して、温度検出用ダイオード、及び、素子温度が所定の温度に到達したことを検出する「温度検知回路」が設けられている。
温度推定手段としてのコントローラは、温度モニタ回路により検出されたモニタ温度Tmonに、「複数のスイッチング素子間の熱伝達モデルにより作成したマップデータの読み出し値」を加算することにより、最高素子温度推定値Tjを推定する。
また、温度検知回路が設けられたいずれかの素子の温度が所定の温度Tcaに到達したことが検出されたとき、最高素子温度推定値Tjと所定の温度Tcaとの差を補正値h1とする。そして、最高素子温度推定値Tjに補正値h1を加算し、補正後の最高素子温度推定値とする。
特開2007−195343号公報
特許文献1の装置で用いられる熱伝達モデルは、基板上の素子配置により隣接して配置される素子同士の熱干渉等を考慮して規定されている。しかし、素子間の熱伝達特性の劣化等により熱伝達マップデータの信頼性が低下するおそれがあり、最高素子温度を正確に推定することができないおそれがある。
また、温度推定手段に取得される素子温度には、現実的に、温度検出用ダイオードの出力誤差、温度モニタ回路及び各温度検知回路の検出誤差、複数の素子間の特性ばらつき、外乱等のばらつき要因が存在する。しかし、特許文献1の従来技術では、これらのばらつきを考慮することなく、最高素子温度にのみ注目している。そのため、素子を過熱から確実に保護する観点から、各種ばらつき要因を総合して見積もった余裕のある安全マージンを加味して出力制限温度を設定せざるを得ない。その結果、過剰な出力制限を実施する傾向となり、素子性能を有効に発揮させることができない。したがって、スイッチング素子の高スペック化や回路規模の増加による装置全体の大型化につながる。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、取得される素子温度のばらつきを考慮して出力制限温度を可及的に高く設定可能とし、素子性能を有効に発揮させる電力変換装置を提供することにある。
本発明の電力変換装置は、電力変換回路(201、204、205)、素子温度出力器(31−36)、一つ以上のモニタ回路(40)、一つ以上の到達判定回路(50)、最小猶予温度推定部(72)、及び出力制限部(73)を備える。
電力変換回路は、複数のスイッチング素子(21−26)の動作により入力電力を変換して出力する。
複数の素子温度出力器は、複数のスイッチング素子の個別の素子温度に応じたアナログ温度信号を出力する。
モニタ回路は、複数のスイッチング素子のうちから選択された一つ以上の「モニタ素子(SW−M)」に対応して設けられ、素子温度出力器から入力されたアナログ温度信号に基づき、モニタ素子の素子温度であるモニタ温度(TM)を経時的に検出する。
到達判定回路は、少なくともモニタ素子以外の全てのスイッチング素子である「一般素子(SW−G*)」に対応して設けられ、素子温度出力器から入力されたアナログ温度信号に基づき、対応する素子の温度が上昇して所定の通過温度(TOG)に到達したことを判定する。
最小猶予温度推定部は、前記モニタ温度、及び前記到達判定回路からの到達判定信号に基づき、複数のスイッチング素子のうち、素子毎に設定された「出力制限温度(TlimM、TlimG*)」から素子の現在温度を差し引いた「猶予温度(EXM、EXG*)」が最小である素子の温度を「制限対象温度」として推定する。
出力制限部は、制限対象温度がその素子の出力制限温度に到達したとき、電力変換回路の出力制限を開始する。
最小猶予温度推定部は、モニタ温度が通過温度に到達する以前に、到達判定回路により、いずれかの一般素子の素子温度が通過温度に到達したことが判定されたとき、当該一般素子を「特定素子」として認定する。
そして、最小猶予温度推定部は、当該到達判定時(Tj)における特定素子の猶予温度(EXG*)がモニタ素子の猶予温度(EXM)よりも小さい場合、「通過温度と当該到達判定時におけるモニタ温度(TOM)との差分(ΔT*)をモニタ温度に加えた温度」を「特定素子の学習温度(TG*)」として推定する。
出力制限部は、到達判定時まではモニタ温度を制限対象温度とし、到達判定時以後、特定素子の学習温度を制限対象温度として出力制限の実施を判断する。
本発明では、素子毎の温度ばらつきを考慮して出力制限温度を設定し、且つ、素子の現在温度と出力制限温度との差分である猶予温度が最小である素子の温度に注目して出力制限の実施を判断する。
これにより、ばらつきを吸収するための安全マージンを減らし、出力制限温度を可及的に高く設定することが可能となる。その結果、過剰な出力制限の実施を抑制し、素子性能を有効に発揮させることができる。したがって、スイッチング素子の高スペック化を回避し、装置全体の小型化に貢献する。
第1、第2実施形態の電力変換装置の全体構成図。 モニタ回路及び絶縁伝送回路の概略構成図。 到達判定回路及び絶縁伝送回路の概略構成図。 第1実施形態の制御ECUの制御ブロック図。 第1実施形態による出力制限処理の例(1)を示すタイムチャート。 第1実施形態による出力制限処理の例(2)を示すタイムチャート。 第1実施形態による出力制限温度の設定を説明する図。 素子温度アナログ出力誤差を示す特性図。 第2実施形態の制御ECUの制御ブロック図。 第2実施形態による素子温度アナログ出力誤差の補正を示す特性図。 第2実施形態による出力制限処理の例を示すタイムチャート。 第2実施形態による出力制限温度の設定を説明する図。 第3実施形態の電力変換装置の全体構成図。 第3実施形態の制御ECUの制御ブロック図。 第3実施形態による出力制限処理の例を示すタイムチャート。 第3実施形態による出力制限温度の設定を説明する図。 第4実施形態の電力変換装置の概略構成図。 第5実施形態の電力変換装置の概略構成図。
以下、電力変換装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。また、以下の第1〜第5実施形態を包括して「本実施形態」という。
(第1実施形態)
第1実施形態の電力変換装置について、図1〜図8を参照して説明する。ここで、図1〜図3については、第1及び第2実施形態において共通に参照する。
図1に示すように、第1、第2実施形態の電力変換装置101は、「電力変換回路」としての昇圧コンバータ201、「素子温度出力器」としての感温ダイオード34、35、36、モニタ回路40、到達判定回路50、及び、制御ECU70等を備える。
昇圧コンバータ201は、バッテリ11と負荷16との間に接続され、バッテリ11の直流電圧を昇圧して負荷16に出力する。負荷16は、例えば第5実施形態の電力変換回路であるインバータであってもよい。
昇圧コンバータ201のバッテリ11側には、電源ノイズを除去するフィルタコンデンサ12、及び、バッテリ11の正極に接続されエネルギーを蓄積するリアクトル13が設けられている。昇圧コンバータ201の負荷16側には、昇圧された電圧が充電される平滑コンデンサ14が設けられている。フィルタコンデンサ12及び平滑コンデンサ14の低電位側電極は、バッテリ11の負極に接続されている。
リアクトル13の出力端と平滑コンデンサ14の低電位側との間には、複数のスイッチング素子24、25、26が並列に接続されている。以下の実施形態を通じ、スイッチング素子は、例えばIGBT等である。スイッチング素子24、25、26には、低電位側から高電位側へ向かう電流を許容する還流ダイオードが設けられている。リアクトル13の出力端と平滑コンデンサ14の高電位側との間には、負荷16側からの電流の逆流を防止する複数の逆流防止ダイオード27、28、29が並列に接続されている。
昇圧コンバータ201の動作自体は周知技術であるため、詳しい説明を省略する。
複数のスイッチング素子24、25、26、及び、複数の逆流防止ダイオード27、28、29は、それぞれ仕様及び特性が基本的に同等のものが用いられる。なお、逆流防止ダイオード27、28、29については、これ以上言及しない。
また、複数のスイッチング素子24、25、26は、典型的には同一基板上のように、通電時の放熱条件が極端には変わらない環境下に設置されるものと考える。この前提は、以下の実施形態を通じて同様とする。
ただし、そのような前提においても、各スイッチング素子の素子温度に関し、現実には様々なばらつき要因が存在する。その点について詳しくは後述する。以下、本明細書において「素子温度」とは、電力変換回路を構成するスイッチング素子の温度を意味する。
特に大電流が通電される昇圧コンバータ201では、スイッチング素子を一つで構成しようとすると、定格の大きな特殊部品が必要となる。そこで、複数のスイッチング素子を並列に接続することで標準部品を使用することができる。また、複数のスイッチング素子を冗長的に設けることにより、仮に通電中に一部のスイッチング素子にオープン故障等が発生したとき、他のスイッチング素子を用いて動作の継続が可能となる場合がある。
このように、各実施形態の電力変換装置が備える電力変換回路は、同等レベルの動作をする複数のスイッチング素子により構成される。なお、スイッチング素子の数は、三つに限らず、二つでもよく、四つ以上でもよい。ただし、後述の出力制限処理を説明する上での都合上、スイッチング素子の数が三つの形態を具体例として取り上げる。
ここで、図1に示す三つのスイッチング素子24、25、26の配置は、基板上の搭載配置に対応するものと仮定する。すると、外側に配置されたスイッチング素子24、26は、放熱に比較的有利であると考えられる。一方、他のスイッチング素子24、26の間に配置されたスイッチング素子25は、放熱に比較的不利であり、蓄熱しやすいと考えられる。そのため、三つの素子の通電による発熱が同等であると仮定すると、スイッチング素子25の温度が最も高くなると推定される。
従来技術である特許文献1(特開2007−195343号公報)には、第3実施形態として、このような構成の電力変換回路において最高素子温度を推定する技術が開示されている。この技術では、温度が最高である可能性が高いスイッチング素子25のみの温度をモニタし、他のスイッチング素子24、26については、所定の温度に到達したことを検出する。これにより、全てのスイッチング素子の温度をモニタする構成に比べて装置を小型化することができると記載されている。
本実施形態では、温度検出の基本構成において特許文献1の従来技術と同様の構成を採用する。三つの感温ダイオード34、35、36は、それぞれ、三つのスイッチング素子24、25、26に対応して設けられており、個別の素子温度に応じてアノード−カソード間電圧が変化する。感温ダイオード34、35、36は、アノード−カソード間電圧の信号を、モニタ回路40又は到達判定回路50にアナログ温度信号として出力する。
ここで、真ん中のスイッチング素子25を「モニタ素子SW−M」として選択し、残る外側のスイッチング素子24、26を「一般素子SW−Ga、Gb」とする。以下の説明では、各スイッチング素子の識別について、「24、25、26」の符号よりもこの名称を優先して使用する。
この例ではモニタ素子SW−Mが一つ、一般素子SW−Ga、Gbが二つである。一般化して言うと、モニタ素子SW−Mは、電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子のうちから一つ以上選択される。また、少なくとも、モニタ素子以外の全てのスイッチング素子が一般素子SW−G*に該当する。以下、Ga、Gb・・・を包括して「G*」というように記す。なお、特許請求の範囲の括弧内の参照符号にも「G*」を用いる。
図1では、モニタ回路40を「M」、到達判定回路50を「R」の記号で記す。
モニタ回路40は、モニタ素子SW−Mであるスイッチング素子25に対応して設けられる。モニタ回路40は、感温ダイオード35から入力されたアナログ温度信号に基づき、モニタ素子SW−Mの素子温度であるモニタ温度TMを経時的に検出する。
到達判定回路50は、一般素子SW−Gaであるスイッチング素子24、及び、一般素子SW−Gbであるスイッチング素子26に対応して設けられる。到達判定回路50は、感温ダイオード34、36から入力されたアナログ温度信号に基づき、一般素子SW−Ga、Gbの素子温度が上昇して所定の「通過温度TOG」に到達したことを判定する。
モニタ回路40からが出力したモニタ温度TMの情報、及び、到達判定回路50が出力した到達判定信号rjは、制御ECU70に通知される。
制御ECU70は、周知のマイコンやカスタムIC等により構成される。マイコンは、図示しないCPU、ROM、I/O、及び、これらを接続するバスライン等を内部に備え、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。
本来、制御ECU70は、外部からの指令信号やフィードバック信号に基づき、所望の電力を負荷16に出力するようにスイッチング素子に対する駆動信号を演算する。ただし本実施形態では、制御ECU70による通常の駆動制御に関する説明や信号入出力の図示を省略し、特徴的な温度検出に関する処理について詳しく説明する。
次に、モニタ回路40及び到達判定回路50の構成について、図2、図3を参照する。図2、図3における感温ダイオードの符号は、図1の昇圧コンバータ201の構成に対応し、モニタ回路40が接続される感温ダイオードの符号を「35」、到達判定回路50が接続される感温ダイオードの符号を「34、36」とする。ただし、モニタ回路40及び到達判定回路50は、どの感温ダイオードに接続されてもよい。また、図中の記号「A」はアノード、「K」はカソードを示す。なお、図2、図3の回路構成は、特許文献1の図3、図13に記載されたものと本質的に同じである。
図2に示すように、モニタ回路40は、定電流供給部41、コンパレータ42、及び三角波生成回路43を有する。
定電流供給部41は、感温ダイオード35のアノードに定電流を供給する。また、感温ダイオード35のカソードは基準電位に接続されている。そして、温度検出対象であるモニタ素子SW−Mの温度、すなわちモニタ温度TMに応じたアノード−カソード間電圧がアナログ温度信号としてコンパレータ42の+端子に入力される。
一方、コンパレータ42の−端子には、三角波生成回路43で生成された三角波が入力される。モニタ温度TMに応じたアナログ温度信号としての電圧値が三角波と比較されることにより、逐次Duty信号に変換されてコンパレータ42から出力される。こうしてモニタ回路40は、モニタ温度TMを経時的に検出する。
絶縁伝送回路60は、フォトカプラ65、高圧側抵抗回路63及び低圧側抵抗回路67を含み、高圧系と低圧系との間で信号を絶縁伝送する。この絶縁伝送回路60を経由し、コンパレータ42の出力信号は制御ECU701に伝送される。
制御ECU70は、モニタ温度TMのDuty信号を電圧信号に変換する。それ以後の制御ECU70における処理については後述する。
図3に示すように、到達判定回路50は、定電流供給部51、コンパレータ52、及び閾値用電源53を有する。定電流供給部51及びコンパレータ52の構成は、モニタ回路40のものと同様である。コンパレータ52の+端子には、一般素子SW−Ga、Gbの素子温度に応じたアノード−カソード間電圧がアナログ温度信号として入力される。コンパレータ52の−端子に接続される閾値用電源53は、後述の通過温度T0Gに相当する閾値電圧を規定する。
一般素子SW−Ga、Gbの素子温度が通過温度T0Gより低いとき、コンパレータ52の出力はOFFであり、一般素子SW−Ga、Gbの素子温度が通過温度T0Gに到達すると、コンパレータ52の出力がONとなる。この出力信号は、「到達判定信号rj」として、絶縁伝送回路60を経由し、制御ECU70に伝送される。
続いて、制御ECU70の2通りの構成を、第1実施形態及び第2実施形態として説明する。以下、第1実施形態の制御ECUの符号を「701」、第2実施形態の制御ECUの符号を「702」として区別する。
図4に示すように、第1実施形態の制御ECU701は、Duty−V変換部71、最小猶予温度推定部72、及び、出力制限部73を有している。
Duty−V変換部71は、モニタ回路40から絶縁伝送回路60を経由して入力されたモニタ温度TMのDuty信号を電圧信号に変換する。
最小猶予温度推定部72は、Duty−V変換部71からモニタ温度TMの電圧信号を取得する。また、到達判定回路50から、一般素子SW−Ga、Gbが通過温度T0Gに到達したことを示す到達判定信号rjを取得する。
ここで、本実施形態特有の概念である「出力制限温度」及び「猶予温度」を定義する。
出力制限温度は、昇圧コンバータ201を構成する三つのスイッチング素子について、それ以上の温度では、素子を過熱から保護するために電力変換回路の出力制限が求められる温度である。三つのスイッチング素子の仕様及び特性は基本的に同等であるとはいえ、現実には、素子特性のばらつきや温度検出に関するばらつきが存在する。
そこで本実施形態では、素子毎に適切な出力制限温度が設定されることを特徴とする。以下、各素子の出力制限温度を次の記号で記す。
TlimM:モニタ素子SW−Mの出力制限温度
TlimGa、TlimGb:一般素子SW−Ga、Gbの出力制限温度
また、これらを包括して「出力制限温度Tlim」と記す。
猶予温度は、各素子について出力制限温度から現在温度を差し引いた温度である。つまり、現在の素子が出力制限を要する温度になるまで上昇の猶予がある温度差を意味する。猶予温度が小さい素子ほど早い段階で出力制限が必要となるため、全ての素子を過熱から保護する観点から、猶予温度が最小である素子の温度を基準として出力制限の開始時期を決定することが望ましい。
ところで、特許文献1の従来技術では、複数のスイッチング素子の温度のうち最高温度に注目している。仮に全ての素子の出力制限温度が同一であるとすれば、最高素子温度に基づいて出力制限を開始するという考え方は正しいと考えられる。しかし、現実には、制御ECU701に取得される素子温度には、各種ばらつき要因が存在する。したがって、単純に全ての素子の出力制限温度を同一に設定することは適当でない。
したがって、従来技術のように全ての素子の出力制限温度を一定に設定する思想では、素子を過熱から保護するために余裕を持った安全マージンを加味して出力制限温度を設定する必要があると考えられる。
それに対し本実施形態では、各素子についての猶予温度に注目する。具体的には、最小猶予温度推定部72は、取得したモニタ温度TM及び到達判定信号rjの情報に基づき、猶予温度が最小である素子の温度を「制限対象温度」として推定する。このように「最小猶予温度推定部72」という名称は、「猶予温度が最小である素子の温度を推定する機能部」を意味し、猶予温度そのものを推定するものではない。
ここで、制限対象温度となり得る温度は、モニタ温度TM、又は、後述する「特定素子SW−Ga、Gbの学習温度TGa、TGb」のいずれかである。各素子の出力制限温度Tlimの設定により、最高素子温度が必ずしも制限対象温度になるとは限らない。
出力制限部73は、制限対象温度がその素子の出力制限温度Tlimに到達したとき、昇圧コンバータ201の出力制限を開始する。したがって、素子温度が耐熱温度を超えて上昇し、素子破壊に至ることを防止することができる。
次に、昇圧コンバータ201の通電中に実施される出力制限処理の例について、図5、図6を参照して説明する。図5、図6の上段には各素子温度の経時変化を示し、下段には到達判定回路50及び出力制限部73による判定信号を示す。到達判定回路50では、一般素子SW−Ga、Gbの素子温度が通過温度T0Gに到達したとき、コンパレータ52の信号がOFFからONになる。出力制限部73では、制限対象温度が素子毎に設定された出力制限温度Tlimに到達したとき、出力制限信号がOFFからONになる。
図5、図6に新たに記載された素子温度に関する各記号の意味は以下の通りである。
下記の記号のうち「tj#」は、tj1、tj2・・・を包括した表記であり、時間軸での順序を表す。なお、特許請求の範囲の括弧内の参照符号にも「tj#」を用いる。
0M#:到達判定時tj#におけるモニタ温度TM
ΔTa:第1の特定素子SW−Gaの到達判定時tj1における通過温度T0Gとモニタ温度T0M1との差分(ΔTa=T0G−T0M1
Ga: 第1の特定素子SW−Gaの学習温度(TGa=TM+ΔTa)
ΔTb:第2の特定素子SW−Gbの到達判定時tj2における通過温度T0Gとモニタ温度T0M2との差分(ΔTb=T0G−T0M2
Gb:第2の特定素子SW−Gbの学習温度(TGb=TM+ΔTb)
EXM1:第1の特定素子SW−Gaの到達判定時tj1におけるモニタ素子SW−Mの猶予温度(EXM1=TlimM−T0M1
EXGa1:第1の特定素子SW−Gaの到達判定時tj1における特定素子SW−Gaの猶予温度(EXGa1=TlimGa−T0G
EXGa2:第2の特定素子SW−Gbの到達判定時tj2における特定素子SW−Gaの猶予温度(EXGa2=TlimGa−TGa(tj2))
EXGb2:第2の特定素子SW−Gbの到達判定時tj2における特定素子SW−Gbの猶予温度(EXGb2=TlimGb−T0G
上述の通り、最小猶予温度推定部72は、昇圧コンバータ201を構成する三つのスイッチング素子のうち、素子毎に設定される出力制限温度Tlimから素子の現在温度を差し引いた猶予温度が最小である素子の温度を「制限対象温度」として推定する。
出力制限部73は、出力制限処理の初期には、モニタ温度TMを制限対象温度とする。そして、モニタ温度TMが出力制限温度TlimMに到達するまで、猶予温度が最小の素子が常にモニタ素子SW−Mであれば、制限対象温度は更新されない。この場合、一般素子SW−Ga、Gbは、結果的に出力制限処理に関与しない。
一方、図5、図6には、各素子の温度上昇に伴って制限対象温度が更新される場合を示す。図5、図6共通に、時刻tj1以前での制限対象温度はモニタ温度TMである。
時刻tj1に一般素子SW−Gaの素子温度が通過温度T0Gに到達すると、最小猶予温度推定部72は、一般素子SW−Gaを「第1の特定素子」として認定する。そして、到達判定時tj1におけるモニタ素子SW−Mの猶予温度EXM1と第1の特定素子SW−Gaの猶予温度EXGa1とを比較する。
すると、第1の特定素子SW−Gaの猶予温度EXGa1の方が小さいため、最小猶予温度推定部72は、「到達判定時tj1における通過温度T0Gとモニタ温度T0M1との差分ΔTaをモニタ温度TMに加えた温度」を第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaとして推定する。そして、時刻tj1以後、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが制限対象温度となる。
時刻tj2に一般素子SW−Gbの素子温度が通過温度T0Gに到達すると、最小猶予温度推定部72は、一般素子SW−Gbを「第2の特定素子」として認定する。そして、到達判定時tj2における第1の特定素子SW−Gaの猶予温度EXGa2と第2の特定素子SW−Gbの猶予温度EXGb2とを比較する。この段階での判断が図5の例と図6の例とで異なる。
図5に示す例では、第1の特定素子SW−Gaの猶予温度EXGa2の方が小さいため、時刻tj2以後も引き続き第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが制限対象温度となる。その後、時刻txaに第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが出力制限温度TlimGaに到達すると、出力制限部73は、昇圧コンバータ201の出力制限を開始する。この場合、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが通過温度T0Gから出力制限温度TlimGaまで上昇する期間が「猶予期間Pex」となる。
一方、図6に示す例では、第2の特定素子SW−Gbの猶予温度EXGb2の方が小さいため、最小猶予温度推定部72は、「到達判定時tj2における通過温度T0Gとモニタ温度T0M2との差分ΔTbをモニタ温度TMに加えた温度」を第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbとして推定する。そして、時刻tj2以後、第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbが制限対象温度となる。
その後、時刻txbに第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbが出力制限温度TlimGbに到達すると、出力制限部73は昇圧コンバータ201の出力制限を開始する。この場合、第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbが通過温度T0Gから出力制限温度TlimGbまで上昇する期間が「猶予期間Pex」となる。
ここで、時刻txbは、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが出力制限温度TlimGaに到達する時刻txaよりも早い。すなわち、制限対象温度を第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaから第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbに更新することにより、複数の一般素子SW−Ga、Gbについての猶予温度を考慮して、より適確に出力制限を開始することができる。
次に、モニタ素子SW−Mの出力制限温度TlimM、及び、一般素子の代表として、SW−Gaの出力制限温度TlimGaの設定について、図7を参照して説明する。
図7に記載された温度誤差に関する各記号の意味は以下の通りである。
Tres:素子耐熱温度(全ての素子に共通とする)
ΔTanaM:モニタ素子温度TMについての感温ダイオードのアナログ出力誤差
ΔTanaGa:一般素子温度TGaについての感温ダイオードのアナログ出力誤差
ΔTM:モニタ回路40の検出誤差
ΔTRGa:到達判定回路50の検出誤差
ΔTGa-M:到達判定時からの猶予期間における特定素子とモニタ素子との発熱差
ΔTwid:温度変動幅
上記の各温度誤差は、制限対象温度の実際温度が推定温度より高くなる方向に影響する誤差を正として定義する。図7は、正方向の各誤差を積み上げたイメージを示している。このように正方向の誤差を積み上げることで、いかなる状況でも全ての素子が確実に耐熱温度以下の領域で出力制限が開始されるように、出力制限温度TlimM、TlimGaを適切に設定することを目的とする。なお、負の誤差が生じる場合、誤差の合計からその分を差し引いてもよいし、或いは、誤差を0として扱ってもよい。
上記のうち、アナログ出力誤差ΔTanaM、ΔTanaGa、発熱差ΔTGa-M、及び温度変動幅ΔTwidについて詳しく説明する。
感温ダイオードのアナログ出力特性に関し、図8に示すように、実出力特性と理想出力特性との間には出力誤差が存在する。なお、図8には、高温ほど出力が減少する負特性の例を示しているが、正特性か負特性かは適宜設定してよい。
図8(a)に、実出力と理想出力との傾きが等しく切片が異なるオフセット誤差の例を示す。実出力aは理想出力よりも低い側にずれた例を示し、実出力bは理想出力よりも高い側にずれた例を示す。モニタ回路40及び到達判定回路50が理想出力に基づいて検出すると考えると、検出出力Vsに対応する真の素子温度は、理想出力特性に基づく理想温度Tidに対し、温度領域に依らず、一定のアナログ出力誤差ΔTanaだけずれる。
図8(b)に、実出力と理想出力との傾きが異なるゲイン誤差を含む例を示す。この場合、温度領域に応じてアナログ出力誤差ΔTanaの値が変化する。実出力と理想出力とが一致する一致温度Tcoが実使用領域に存在する場合、一致温度Tcoの高温側と低温側とでアナログ出力誤差ΔTanaの符号が反転することとなる。
続いて発熱差ΔTGa-Mの説明にあたり、一般素子SW−Gaが通過温度T0Gに到達し、特定素子として認定された場合を想定する。特定素子SW−Gaの学習温度TGaは、特定素子SW−Gaとモニタ素子SW−Mとの損失が同等であることを前提として推定される。そのため、図5、図6では、学習温度TGaとモニタ温度TMとの上昇傾きは等しく記されている。しかし実際には、特定素子SW−Gaの到達判定時から学習温度TGaが出力制限温度TlimGaに到達するまでの猶予期間Pexに、特定素子SW−Gaとモニタ素子SW−Mとの損失ばらつきに基づく発熱差ΔTGa-Mが生じる可能性がある。この発熱差ΔTGa-Mが正の場合、制限対象温度である特定素子SW−Gaの素子温度は、モニタ温度TMの上昇傾きよりも大きい傾きで上昇する。なお、モニタ温度TMが制限対象温度である場合には、発熱差ΔTGa-Mを考慮しなくてもよい。
温度変動幅ΔTwidは、電力変換装置101が用いられるシステムにおいて発生する可能性がある最大の温度変動範囲を意味する。温度変動の要因として典型的には、「出力制御が追従不能な外乱」による電力変換回路の過渡動作による温度変化ΔTtrdが考えられる。例えばハイブリッド自動車のモータジェネレータを駆動するシステムでは、車両走行中のタイヤのスリップやロック等の瞬時的な状態変化により、モータジェネレータの動作の変化にフィードバック制御が追い付かない場合が想定される。このとき、電力変換回路での電流の急増に伴う素子温度の上昇が過渡温度変化ΔTtrdに該当する。本実施形態では、温度変動幅ΔTwidを過渡温度変化ΔTtrd以上の値に設定することにより、上記のような外乱を考慮しつつ出力制限温度TlimM、TlimGaを設定する。
以上の各温度誤差を用い、モニタ素子SW−Mに係る「第1群マージンΣΔT_1」、及び、一般素子SW−Gaに係る「第2群マージンΣΔT_2」を、式(1.1)、(1.2)により定義する。
ΣΔT_1=ΔTanaM+ΔTM+ΔTwid ・・・(1.1)
ΣΔT_2=ΔTanaGa+ΔTRGa+ΔTGa-M+ΔTwid ・・・(1.2)
仮に、モニタ素子温度TM及び一般素子温度TGaについての感温ダイオードのアナログ出力誤差が「ΔTanaM≒ΔTanaGa」であり、また、モニタ回路40及び到達判定回路50の検出誤差が「ΔTM≒ΔTRGa」であるとする。すると、温度誤差の要因として発熱差ΔTGa-Mを余分に含む第2群マージンΣΔT_2が、第1群マージンΣΔT_1より大きくなる傾向にある。
すると、モニタ素子SW−Mの出力制限温度TlimM、及び、一般素子SW−Gaの出力制限温度TlimGaは、式(2.1)、(2.2)により設定される。
TlimM≦Tres−ΣΔT_1 ・・・(2.1)
TlimGa≦Tres−ΣΔT_2 ・・・(2.2)
なお、図7では、誤差の積み上げ値と素子耐熱温度Tresとの微小余裕δ(≧0)により、「≦」の意味合いを表している。微小余裕δは各素子について共通と考えてよい。
第2群マージンΣΔT_2が第1群マージンΣΔT_1より大きいとすると、一般素子SW−Gaの出力制限温度TlimGaは、モニタ素子SW−Mの出力制限温度TlimMよりも低い値に設定される。
また、一般素子SW−Gbについても、一般素子SW−Gaと同様の固有の誤差に基づき、出力制限温度TlimGbが設定される。このように第1実施形態では、感温ダイオード34−36、モニタ回路40又は到達判定回路50、スイッチング素子24−26の損失ばらつき等に基づいて、素子毎に出力制限温度Tlimが設定される。
そして、出力制限部73は、素子毎に設定された出力制限温度Tlimに制限対象温度が到達したとき出力制限を開始する。
(効果)
(1)上述の通り、複数のスイッチング素子のうちの最高素子温度を推定する特許文献1の従来技術では、素子毎の感温ダイオードによるアナログ出力誤差や回路の検出誤差等の温度ばらつきを考慮していない。そのため、素子を過熱から確実に保護する観点から、各種ばらつき要因を総合して見積もった余裕のある安全マージンを加味して出力制限温度を設定せざるを得ない。その結果、過剰な出力制限を実施する傾向となり、素子性能を有効に発揮させることができない。したがって、スイッチング素子の高スペック化や回路規模の増加による装置全体の大型化につながる。
それに対し本実施形態では、制御ECU701の最小猶予温度推定部72は、素子毎に設定された出力制限温度TlimM、TlimG*から素子の現在温度を差し引いた猶予温度EXM、EXG*が最小である素子の温度を「制限対象温度」として推定する。また、出力制限部73は、制限対象温度がその素子の出力制限温度Tlimに到達したとき、電力変換回路の出力制限を開始する。
最小猶予温度推定部72は、到達判定時Tjにおける特定素子SW−G*の猶予温度EXG*がモニタ素子の猶予温度EXMよりも小さい場合、通過温度T0Gと到達判定時におけるモニタ温度TOMとの差分ΔT*をモニタ温度TMに加えた温度を特定素子SW−G*の学習温度TG*として推定する。出力制限部73は、到達判定時まではモニタ温度TMを制限対象温度とし、到達判定時以後、特定素子SW−G*の学習温度TG*を制限対象温度として出力制限の実施を判断する。
本実施形態では、素子毎の温度ばらつきを考慮して出力制限温度Tlimを設定し、且つ、素子の現在温度と出力制限温度Tlimとの差分である猶予温度が最小である素子の温度に注目して出力制限の実施を判断する。
これにより、ばらつきを吸収するための安全マージンを減らし、出力制限温度Tlimを可及的に高く設定することが可能となる。その結果、過剰な出力制限の実施を抑制し、素子性能を有効に発揮させることができる。したがって、スイッチング素子の高スペック化を回避し、装置全体の小型化に貢献する。或いは、出力制限温度Tlimを高く設定しない場合には、品質を向上させることができる。
(2)二つの一般素子SW−Ga、Gbが用いられる構成で、次の状況を想定する。
<第1の一般素子SW−Gaが第1の到達判定時Tj1に通過温度T0Gに到達し第1の特定素子として認定された。その後、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが出力制限温度TlimGaに到達する以前の第2の到達判定時Tj2に、第2の一般素子SW−Gbが通過温度T0Gに到達し第2の特定素子として認定された。>
このとき、出力制限部73は、第2の到達判定時における猶予温度が小さい方の特定素子の学習温度を制限対象温度として出力制限の実施を判断する。
これにより、複数の一般素子SW−Ga、Gbの猶予温度の比較に基づいて、より適確に出力制限を開始することができる。その結果、出力制限温度Tlimの設定において、ばらつきを吸収するための安全マージンをさらに減らし、出力制限温度Tlimを高く設定することができる。
なお、特許請求の範囲における「第1の一般素子」、「第2の一般素子」という概念は、一般素子SW−G*が二つの場合に限らず、一般素子SW−G*が三つ以上である場合にも通用する。すなわち、一般化した解釈では、時間的に前後して通過温度T0Gに到達した二つの一般素子SW−G*のうち、先行の素子を「第1の一般素子」といい、後続の素子を「第2の一般素子」という。その後、更に三番目の素子が通過温度T0Gに到達した場合には、最初に「第2の一般素子」とされた二番目の素子が今度は「第1の一般素子」となり、三番目の素子が新たに「第2の一般素子」となる。こうして、いずれかの素子が出力制限温度Tlimに到達するまでに通過温度T0Gに到達した全ての一般素子SW−G*について、一つ前に通過温度T0Gに到達した素子との間で猶予温度が比較され、いずれの素子の学習温度を制限対象温度とするか判定される。
(3)モニタ素子SW−Mの出力制限温度TlimM、及び、一般素子SW−G*の出力制限温度TlimG*は、スイッチング素子の耐熱温度Tresから、それぞれ第1群マージンΣΔT_1及び第2群マージンΣΔT_2を差し引いた温度以下に設定される。
第1群マージンΣΔT_1は、感温ダイオード35のアナログ出力誤差ΔTanaM、モニタ回路40の検出誤差ΔTM、及び、温度変動幅ΔTwidの合計である。第2群マージンΣΔT_2は、感温ダイオード34、36のアナログ出力誤差ΔTanaG*、到達判定回路50の検出誤差ΔTRG*、猶予期間において特定素子SW−G*とモニタ素子SW−Mとの損失ばらつきに基づいて生じる発熱差ΔTG*-M、及び、温度変動幅ΔTwidの合計である。温度変動幅ΔTwidは、出力制御が追従不能な外乱による前記電力変換回路の過渡動作による温度変化ΔTtrd以上の値に設定されている。
このように、電力変換装置101が用いられるシステムで現実に発生する温度ばらつき要因を詳しく特定することにより、実状に適応した処理を実行することができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の制御ECU702の構成、及び、第1実施形態の出力制限処理との違いについて、図9〜図12を参照して説明する。図9、図10、図12は、それぞれ第1実施形態の図4、図8、図7に対応する。また、図11は、第1実施形態の図5及び図6と同様の形式のタイムチャートである。
図9に示すように、第2実施形態の制御ECU702は、第1実施形態の制御ECU701に対し、感温ダイオード34、35、36のアナログ出力誤差ΔTanaGa、ΔTanaM、ΔTanaGbを補正するアナログ出力補正部74をさらに備えている。
アナログ出力補正部74は、感温ダイオード34、35、36の個体毎に予め設定されたアナログ出力誤差ΔTanaGa、ΔTanaM、ΔTanaGbの校正値を、EEPROM等の不揮発メモリに記憶している。
実際の製品の製造時には、例えばスイッチング素子と感温ダイオードとがモジュール化された半導体モジュールのQRコード(登録商標)に校正値を書き込む。そして、半導体モジュールを電力変換回路基板に組み付ける時、基板上の不揮発メモリに校正値を書き込むという方法が考えられる。これにより、アナログ出力補正部74は、簡易な構成でアナログ出力誤差を補正することができる。
アナログ出力誤差の補正イメージを図10に示す。
図10(a)に示すオフセット誤差の例において、アナログ出力補正部74は、実出力Gaが理想出力よりも低い側にずれている場合、実出力Gaを理想出力に一致させるように上げる。その結果、検出温度からアナログ出力誤差ΔTanaGaが差し引かれる。
また、アナログ出力補正部74は、実出力Gbが理想出力よりも高い側にずれている場合、実出力Gbを理想出力に一致させるように下げる。その結果、検出温度にアナログ出力誤差ΔTanaGbが加えられる。
図10(b)には、実出力の傾きの絶対値が理想出力の傾きよりも大きいゲイン誤差を含む例を示す。この場合、アナログ出力補正部74は、温度に応じて、一致温度Tcoの低温側では実出力を下げ、一致温度Tcoの高温側では実出力を上げるように補正する。
上記の要領で、アナログ出力補正部74は、モニタ素子SW−Mについて、入力されたモニタ温度TMに対しアナログ出力誤差ΔTanaMを補正する。また、通過温度T0Gに到達したと判定された特定素子SW−G*について、アナログ出力誤差ΔTanaG*の分、学習温度TG*をオフセットさせる。
最小猶予温度推定部72は、アナログ出力補正部74が補正したモニタ温度TM、及び特定素子SW−G*の学習温度TG*に基づいて、猶予温度が最小である素子の温度を制限対象温度として推定する。
図11を参照し、第2実施形態による出力制限処理の具体例を説明する。図11には、第1実施形態の図6と同様に、制限対象温度がモニタ温度TMから第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaに更新され、更に第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbに更新される場合を示す。ここで、特定素子SW−Ga及びSW−Gbの実出力特性は、図10(a)に示す「実出力Ga」及び「実出力Gb」の特性であるものとする。
図11において学習温度TGa、TGbの基準となるモニタ素子SW−Mの温度は、モニタ回路40により検出されたモニタ温度TMに対しアナログ出力誤差ΔTanaMが補正された温度(すなわち、「TM+ΔTanaM」)として表す。なお、アナログ出力誤差ΔTanaMについても、理想出力特性と傾きが等しいオフセット誤差であると仮定する。
時刻tj1に一般素子SW−Gaの素子温度が通過温度T0Gに到達し、第1の特定素子SW−Gaとして認定される。このとき、到達判定回路50において到達したと判定された通過温度T0Gからアナログ出力誤差ΔTanaGaを差し引く補正がされる。そして、補正された通過温度T0Gに基づいて算出された第1の特定素子SW−Gaの猶予温度EXGa1がモニタ素子SW−Mの猶予温度EXM1よりも小さいと判断される。すると、最小猶予温度推定部72は、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaを式(3.1)により推定する。
Ga=(TM+ΔTanaM)−ΔTanaGa+ΔTa ・・・(3.1)
時刻tj1以後、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが制限対象温度となる。
次に、時刻tj2に一般素子SW−Gbの素子温度が通過温度T0Gに到達し、第2の特定素子SW−Gbとして認定される。このとき、到達判定回路50において到達したと判定された通過温度T0Gにアナログ出力誤差ΔTanaGbを加える補正がされる。そして、補正された通過温度T0Gに基づいて算出された第2の特定素子SW−Gbの猶予温度EXGb2が、到達判定時tj2における第1の特定素子SW−Gaの猶予温度EXGa2よりも小さいと判断される。すると、最小猶予温度推定部72は、第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbを式(3.2)により推定する。
Gb=(TM+ΔTanaM)+ΔTanaGb+ΔTb ・・・(3.2)
時刻tj2以後、第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbが制限対象温度となる。
その後、時刻txbに第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbが出力制限温度TlimGbに到達すると、出力制限部73は昇圧コンバータ201の出力制限を開始する。
図6と同様に図11でも、時刻txbは、第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaが出力制限温度TlimGaに到達する時刻txaよりも早い。すなわち、制限対象温度を第1の特定素子SW−Gaの学習温度TGaから第2の特定素子SW−Gbの学習温度TGbに更新することにより、複数の一般素子SW−Ga、Gbについての猶予温度を考慮して、より適確に出力制限を開始することができる。
このように、第2実施形態では、感温ダイオード35、34、36のアナログ出力誤差ΔTanaM、ΔTanaGa、ΔTanaGbがアナログ出力補正部74で補正される。
これにより、図12に示すように、第1群マージンΣΔT_1のアナログ出力誤差ΔTanaM、及び、第2群マージンΣΔT_2のアナログ出力誤差ΔTanaG*を0とみなすことができる。したがって、第1実施形態の図7に比べ、出力制限温度TlimM、TlimGaを高く設定し、素子性能をさらに有効に発揮させることができる。
また、アナログ出力誤差ΔTanaGa、ΔTanaGbのばらつきが第2群マージンΣΔT_2から除外されるため、一般素子SW−Ga、Gbの出力制限温度TlimGa、TlimGbのばらつき要因が少なくなる。そのため図11では、一般素子SW−Ga、Gbの出力制限温度TlimGa、TlimGbを同一の温度として図示している。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態の電力変換装置103及び制御ECU703の構成等について、図13〜図16を参照して説明する。図13は、第1、第2実施形態の図1に対応し、「電力変換回路」として昇圧コンバータ201を備える電力変換装置103の構成を示す。図14は、図4及び図9に対応する。図15は、図5、図6及び図11と同様の形式のタイムチャートである。図16は、図7及び図12に対応する。
図13に示すように、第3実施形態の電力変換装置103では、モニタ素子SW−Mであるスイッチング素子25に対応して、モニタ回路40と到達判定回路50との両方が設けられる。すなわち、三つのスイッチング素子24、25、26に対して三つの到達判定回路50が設けられることとなる。
モニタ素子SW−M用の到達判定回路50は、モニタ素子SW−Mが通過温度T0Gに到達したとき到達判定信号rjを出力する。図13では、モニタ素子SW−M用の到達判定回路50が出力する到達判定信号をrj(M)と記し、一般素子SW−Ga、SW−Gb用の到達判定回路50が出力する到達判定信号をrj(G)と記す。
図14に示すように、第3実施形態の制御ECU703は、アナログ出力補正部74に加え、各到達判定回路50の初期検出誤差ΔTRM_ini、ΔTRGa_ini、ΔTRGb_iniを補正する到達判定回路補正部75をさらに備えている。
到達判定回路補正部75は、到達判定回路50の個体毎に予め設定された初期検出誤差ΔTRM_ini、ΔTRGa_ini、ΔTRGb_iniの校正値を、EEPROM等の不揮発メモリに記憶している。
初期検出誤差ΔTRM_ini、ΔTRGa_ini、ΔTRGb_iniの校正値は、例えば製造時の基準温度における出力特性と理想出力特性との差に基づいて設定される。また、不揮発メモリへの校正値の書き込みは、例えばアナログ出力補正部74と同様の方法により実施可能である。これにより、到達判定回路補正部75は、簡易な構成で初期検出誤差を補正することができる。
最小猶予温度推定部72は、各到達判定回路50からの到達判定信号rj(M)、rj(G)を取得したとき、到達判定回路補正部75によって初期検出誤差ΔTRM_ini、ΔTRGa_ini、ΔTRGb_iniが補正された温度に基づいて、制御対象温度を推定する。
例えば、一般素子SW−Gaが通過温度T0Gに到達したと判定されたとき、到達判定時における一般素子SW−Gaの温度は、「T0G+ΔTRGa_ini」に補正される。
また、モニタ素子SW−Mが通過温度T0Gに到達したと判定されたとき、到達判定時におけるモニタ素子SW−Mの温度は、「T0G+ΔTRM_ini」に補正される。この補正後の温度に基づいて、到達判定時以後、モニタ回路40により検出されたモニタ温度TMが補正される。
図15に、第3実施形態において猶予温度が最小の素子が常にモニタ素子SW−Mである場合の出力制限処理の例を示す。図11と同様に、時刻tj1以前、アナログ出力誤差ΔTanaMが補正されたモニタ温度TM(すなわち、「TM+ΔTanaM」)が制限対象温度となっている。
時刻tj1にモニタ温度「TM+ΔTanaM」が通過温度T0Gに到達すると、到達判定回路補正部75により、時刻tj1におけるモニタ温度「TM+ΔTanaM」に対し、モニタ素子SW−M用到達判定回路50の初期検出誤差ΔTRM_iniが補正される。その結果、時刻tj1以後、「TM+ΔTanaM+ΔTRM_ini」が制限対象温度となる。
その後、時刻txmに補正後のモニタ温度「TM+ΔTanaM+ΔTRM_ini」が出力制限温度TlimMに到達すると、出力制限部73は昇圧コンバータ201の出力制限を開始する。なお、時刻tj1から時刻txmの間の時刻tj2、tj3に一般素子SW−Ga、SW−Gbの素子温度が通過温度T0Gに到達する。しかし、図示を省略するが、到達判定時tj2、tj3における一般素子SW−Ga、SW−Gbの猶予温度がいずれもモニタ素子SW−Mの猶予温度よりも大きいため、制限対象温度の更新はされない。
これにより、特に、モニタ温度TMが制限対象温度となる場合の出力制限の開始タイミングを適切に決定することができる。
このように、制御ECU703では、モニタ素子SW−M用、及び、一般素子SW−Ga、SW−Gb用の各到達判定回路50の初期検出誤差ΔTRM_ini、ΔTRGa_ini、ΔTRGb_iniが到達判定回路補正部75で補正される。
ただし、初期検出誤差が設定された基準温度との温度差による温度特性の影響、又は、初期以後の到達判定回路50の劣化に基づく誤差である「温特劣化誤差ΔTR_TC」が発生する可能性がある。つまり、到達判定回路補正部75による補正後においても、温特劣化誤差ΔTR_TCのみは残る可能性があると考えられる。
そこで、制御ECU703は、各到達判定回路50の検出誤差ΔTRM、ΔTRGa、ΔTRGbを温特劣化誤差ΔTR_TCのみにより規定する。なお、基準温度との温度差による温度特性の影響や劣化の程度が小さい場合、温特劣化誤差ΔTR_TCを無視し、各到達判定回路50の検出誤差ΔTRM、ΔTRGa、ΔTRGbを0とみなしてもよい。
図16にて、各到達判定回路50の温特劣化誤差ΔTR_TCは同等であるものとする。
図16に示すように、モニタ素子SW−Mの第1群マージンΣΔT_1について、モニタ回路40の検出誤差ΔTRMは、モニタ素子SW−M用の到達判定回路50の温特劣化誤差ΔTR_TCのみにより規定される。また、一般素子SW−Gaの第2群マージンΣΔT_2について、到達判定回路50の検出誤差ΔTRGaは、温特劣化誤差ΔTR_TCのみにより規定される。したがって、第1実施形態の図7、及び、第2実施形態の図12に比べ、出力制限温度TlimM、TlimGaを高く設定し、素子性能をさらに有効に発揮させることができる。
上述した形態では、モニタ素子SW−M用、及び、一般素子SW−Ga、SW−Gb用の各到達判定回路50をいずれも到達判定回路補正部75の補正対象としている。その他第3実施形態の変形例として、モニタ素子SW−M用の到達判定回路50、又は、いずれか一つ以上の一般素子SW−Ga、SW−Gb用の到達判定回路50のみを到達判定回路補正部75の補正対象としてもよい。また、制御ECUは、アナログ出力補正部74を備えず、到達判定回路補正部75のみを備えるようにしてもよい。
(第4、第5実施形態)
次に、第1〜第3実施形態とは電力変換回路の構成、及び、モニタ素子SW−M及び一般素子SW−G*の数が異なる第4、第5実施形態の電力変換装置について、図17、図18を参照して説明する。
図17、図18では、スイッチング素子及び制御ECUの符号として、第1実施形態の図1と同じ符号を用いる。ただし、複数のスイッチング素子21〜26については、単に「電力変換回路を構成するスイッチング素子のうち1番目〜6番目のもの」という意味で付番しているに過ぎず、電力変換回路における機能的な観点から「実質的に同一の構成」として扱うわけではない。なお、図1では、図17の回路との配置の共通点から、三つの素子について「24、25、26」の符号を用いている。また、図1、図17、図18の制御ECU70は、それぞれ入力されるモニタ温度TM及び到達判定信号rjの数は異なるが、実行する処理については実質的に同一であると解釈して同一の符号を付す。
図17に示す第4実施形態の電力変換装置104は、「電力変換回路」として昇降圧コンバータ204を備える。
例えばモータジェネレータを負荷として駆動するシステムでは、バッテリ11が放電した電力を消費してモータジェネレータを駆動する力行動作、及び、モータジェネレータが発電した電力をバッテリ11へ充電する回生動作の両方が行われる。このようなシステムにおいて、昇降圧コンバータ204は、モータジェネレータの力行動作時にバッテリ11の電圧を昇圧して負荷16に供給し、回生動作時に負荷16側の電圧を降圧してバッテリ11に回生する。
図17の昇降圧コンバータ204は、図1の昇圧コンバータ201に対し、リアクトル13の出力端と平滑コンデンサ14の高電位側との間に、複数のスイッチング素子21、22、23が並列に接続されている。すなわち、昇降圧コンバータ204は、上アームの複数のスイッチング素子21、22、23、及び、下アームの複数のスイッチング素子24、25、26から構成されている。図17の例では、上アーム及び下アームにそれぞれ三つ、計六つのスイッチング素子が用いられている。周知の通り、上アーム及び下アームのスイッチング素子は相補的にON/OFFするようにスイッチング動作する。
モータジェネレータの力行動作時、下アームの複数のスイッチング素子24、25、26の動作により、リアクトル13に蓄積されたエネルギーを用いてバッテリ11の電圧を昇圧し、負荷16側の平滑コンデンサ14を充電する。また、モータジェネレータの回生動作時、上アームの複数のスイッチング素子21、22、23の動作により、負荷16側の電圧を降圧してバッテリ11に回生する。
昇降圧コンバータ204では、モータジェネレータが回生動作状態であるか力行動作状態であるかにより、上アームの複数のスイッチング素子21、22、23のグループと、下アームの複数のスイッチング素子24、25、26のグループとの発熱程度が異なる。
そこで、上アームの真ん中のスイッチング素子22と、下アームの真ん中のスイッチング素子25との二つが、それぞれモニタ素子SW−MU、SW−MLとして選択され、対応する感温ダイオード32、35にモニタ回路40が接続される。残り四つのスイッチング素子21、23、24、26は、一般素子SW−Ga、Gb、Gc、Gdとされ、対応する感温ダイオード31、33、34、36に到達判定回路50が設けられる。また、第3実施形態のように、モニタ素子SW−MU、SW−ML用の到達判定回路50をさらに設けてもよい。
制御ECU70による出力制限処理の構成は、第1又は第2実施形態と同様である。また、第3実施形態のように、到達判定回路補正部75を設けてもよい。
図18に示す第5実施形態の電力変換装置105は、「電力変換回路」としてインバータ205を備える。インバータ205は、バッテリ11から入力された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電動機であるモータジェネレータ(図中「MG」)18に供給する。なお、バッテリ11とインバータ205との間に第4実施形態の昇降圧コンバータ204が設けられてもよい。
インバータ205は、上下アームの六つのスイッチング素子21〜26がブリッジ接続されている。例えばスイッチング素子21、22、23は、それぞれU相、V相、W相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子24、25、26は、それぞれU相、V相、W相の下アームのスイッチング素子である。
インバータ205は、ゲートに入力されるPWM信号等の駆動信号に従って複数のスイッチング素子21〜26が動作することで、電圧指令に応じた三相電圧をモータジェネレータ18の各相巻線に印加することで、モータジェネレータ18の出力を制御する。
ここで、モータジェネレータ18の回転が停止したロック状態を除いては、各相のスイッチング素子に流れる電流は同等になる。また、PWM制御のDutyが平均50%であるとすると、上アームの各相スイッチング素子21、22、23と下アームの各相スイッチング素子24、25、26に流れる電流は同等になる。したがって、全てのスイッチング素子21〜26の発熱は極端には変わらないと想定される。
そこで、六つのスイッチング素子のうち、下アームの真ん中のスイッチング素子25がモニタ素子SW−Mとして選択され、対応する感温ダイオード35にモニタ回路40が接続される。残り五つのスイッチング素子21、22、23、24、26は、一般素子SW−Ga、Gb、Gc、Gd、Geとされ、対応する感温ダイオード31、32、33、34、36に到達判定回路50が設けられる。また、第3実施形態のように、モニタ素子SW−M用の到達判定回路50をさらに設けてもよい。
制御ECU70による出力制限処理の構成は、第1又は第2実施形態と同様である。また、第3実施形態のように、到達判定回路補正部75を設けてもよい。
第4、第5実施形態のように、ほぼ同等レベルの動作をし、熱的条件が比較的近いと考えられる複数のスイッチング素子を含む電力変換回路において、第1又は第2実施形態による出力制限処理の効果は同様に得られる。
また、第5実施形態の変形例として、インバータの上下アームの各相スイッチング素子を二つずつ並列に接続する構成では、十二個のスイッチング素子のうち一つのモニタ素子SW−Mを選択する例が考えられる。このように、一つのモニタ素子SW−Mに対応する一般素子SW−G*の数が多くなるほど、全ての素子にモニタ回路40を設けて全ての素子温度を検出する構成に比べ、モニタ回路40の数を低減し装置を小型化する効果が顕著となる。
(その他の実施形態)
(1)上記実施形態では、スイッチング素子の温度に応じたアナログ温度信号を出力する「素子温度出力器」として、感温ダイオードが用いられている。これ以外にも、例えばバイメタル式サーモスタット等の温度検出器を「素子温度出力器」として用いてもよい。
(2)上記実施形態では通過温度T0Gは素子に依らず一律に設定されているが、通過温度を素子毎に設定してもよい。
(3)本発明の電力変換装置は、ハイブリッド自動車等のモータジェネレータを駆動するシステムに限らず、複数のスイッチング素子の動作により電力を変換するどのようなシステムに用いられてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
101、103、104、105・・・電力変換装置、
201・・・昇圧コンバータ(電力変換回路)、
204・・・昇降圧コンバータ(電力変換回路)、
205・・・インバータ(電力変換回路)、
21〜26・・・スイッチング素子、
31〜36・・・感温ダイオード(素子温度出力器)、
40・・・モニタ回路、
50・・・到達判定回路、
70(701、702)・・・制御ECU、
72・・・最小猶予温度推定部、
73・・・出力制限部。

Claims (10)

  1. 複数のスイッチング素子(21−26)の動作により入力電力を変換して出力する電力変換回路(201、204、205)と、
    前記複数のスイッチング素子の個別の素子温度に応じたアナログ温度信号を出力する複数の素子温度出力器(31−36)と、
    前記複数のスイッチング素子のうちから選択された一つ以上のモニタ素子(SW−M)に対応して設けられ、前記素子温度出力器から入力されたアナログ温度信号に基づき、前記モニタ素子の素子温度であるモニタ温度(TM)を経時的に検出する一つ以上のモニタ回路(40)と、
    少なくとも前記モニタ素子以外の全ての前記スイッチング素子である一般素子(SW−G*)に対応して設けられ、前記素子温度出力器から入力されたアナログ温度信号に基づき、対応する素子の温度が上昇して所定の通過温度(TOG)に到達したことを判定する一つ以上の到達判定回路(50)と、
    前記モニタ温度、及び前記到達判定回路からの到達判定信号に基づき、前記複数のスイッチング素子のうち、素子毎に設定された出力制限温度(TlimM、TlimG*)から素子の現在温度を差し引いた猶予温度(EXM、EXG*)が最小である素子の温度を制限対象温度として推定する最小猶予温度推定部(72)と、
    前記制限対象温度がその素子の前記出力制限温度に到達したとき、前記電力変換回路の出力制限を開始する出力制限部(73)と、
    を備え、
    前記最小猶予温度推定部は、
    前記モニタ温度が前記通過温度に到達する以前に、前記到達判定回路により、いずれかの前記一般素子の素子温度が前記通過温度に到達したことが判定されたとき、当該一般素子を特定素子として認定し、
    当該到達判定時(tj#)における前記特定素子の猶予温度(EXG*)が前記モニタ素子の猶予温度(EXM)よりも小さい場合、前記通過温度と当該到達判定時における前記モニタ温度(TOM)との差分(ΔT*)を前記モニタ温度に加えた温度を前記特定素子の学習温度(TG*)として推定し、
    前記出力制限部は、
    前記到達判定時までは前記モニタ温度を前記制限対象温度とし、
    前記到達判定時以後、前記特定素子の学習温度を前記制限対象温度として前記出力制限の実施を判断する電力変換装置。
  2. 前記一般素子は複数であり、
    第1の前記一般素子(SW−Ga)が第1の到達判定時(tj1)に前記通過温度に到達し第1の前記特定素子として認定された後、第1の前記特定素子の前記学習温度が前記出力制限温度に到達する以前の第2の到達判定時(tj2)に、第2の前記一般素子(SW−Gb)が前記通過温度に到達し第2の前記特定素子として認定されたとき、
    前記出力制限部は、
    前記第2の到達判定時における前記猶予温度が小さい方の前記特定素子の前記学習温度を前記制限対象温度として前記出力制限の実施を判断する請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記モニタ素子の素子温度についての前記素子温度出力器のアナログ出力誤差(ΔTanaM)、前記モニタ回路の検出誤差(ΔTM)、及び、温度変動幅(ΔTwid)の合計を第1群マージン(ΣΔT_1)と定義し、
    前記一般素子の素子温度についての前記素子温度出力器のアナログ出力誤差(ΔTanaG*)、前記到達判定回路の検出誤差(ΔTRG*)、前記一般素子が前記特定素子として認定された場合に到達判定時から出力制御を開始するまでの猶予期間において前記特定素子と前記モニタ素子との損失ばらつきに基づいて生じる発熱差(ΔTG*-M)、及び、温度変動幅(ΔTwid)の合計を第2群マージン(ΣΔT_2)と定義すると、
    前記モニタ素子の前記出力制限温度(TlimM)は、前記スイッチング素子の耐熱温度(Tres)から前記第1群マージンを差し引いた温度以下に設定され、
    前記一般素子の前記出力制限温度(TlimG*)は、前記スイッチング素子の耐熱温度から前記第2群マージンを差し引いた温度以下に設定される請求項1または2に記載の電力変換装置。
  4. 前記温度変動幅は、出力制御が追従不能な外乱による前記電力変換回路の過渡動作による温度変化(ΔTtrd)以上の値に設定されている請求項3に記載の電力変換装置。
  5. 前記素子温度出力器のアナログ出力誤差を補正するアナログ出力補正部(74)をさらに備え、
    前記出力制限温度の設定において、前記第1群マージン及び前記第2群マージンの前記アナログ出力誤差を0とみなす請求項3または4に記載の電力変換装置。
  6. 前記アナログ出力補正部は、前記素子温度出力器の個体毎に予め設定されたアナログ出力誤差の校正値を不揮発メモリに記憶している請求項5に記載の電力変換装置。
  7. 少なくとも一つ以上の前記到達判定回路の初期検出誤差(ΔTRM_ini、ΔTRGa_ini、ΔTRGb_ini)を補正する到達判定回路補正部(75)をさらに備え、
    前記到達判定回路補正部の補正対象である前記到達判定回路の検出誤差を、前記初期検出誤差が設定された基準温度との温度差による温度特性の影響、又は、初期以後の前記到達判定回路の劣化に基づく誤差である温特劣化誤差(TR_TC)のみにより規定する請求項3〜6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  8. 前記到達判定回路補正部の補正対象として、前記モニタ素子に対応して設けられるモニタ素子用到達判定回路が含まれており、且つ、前記モニタ素子用到達判定回路により前記モニタ素子が前記通過温度に到達したと判定されたとき、前記到達判定回路補正部により補正された温度に基づいて、当該到達判定時以後の前記モニタ温度が補正される構成であり、
    前記モニタ素子の前記出力制限温度の設定において、前記第1群マージンの前記モニタ回路の検出誤差を、前記モニタ素子用到達判定回路の前記温特劣化誤差のみにより規定する請求項7に記載の電力変換装置。
  9. 前記到達判定回路補正部の補正対象として、前記一般素子に対応する前記到達判定回路が含まれており、
    前記一般素子の前記出力制限温度の設定において、前記第2群マージンの前記到達判定回路の検出誤差を、前記一般素子に対応する前記到達判定回路の前記温特劣化誤差のみにより規定する請求項7または8に記載の電力変換装置。
  10. 前記到達判定回路補正部は、前記到達判定回路の個体毎に予め設定された初期検出誤差の校正値を不揮発性メモリに記憶している請求項7〜9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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